Percy Jackson cuenta la historia de Thalia Grace: Perseguida por los monstruos en su camino hacia el Campamento Half-Blood, la joven Thalia se sacrificó para salvar a sus amigos, Annabeth Chase, Luke Castellan y Grover Underwood. Su padre Zeus honró su sacrificio convirtiéndola en un árbol, que forma una barrera protectora alrededor del campamento, manteniendo a todos dentro de una zona segura. En el presente, la búsqueda de Percy del rayo de Zeus ha perdido popularidad y la matona del campamento, Clarisse La Rue, le llama "maravilla de una sola búsqueda", pero sigue contando con el apoyo de Annabeth y Grover. En el campamento se le une un joven cíclope llamado Tyson, que se creía un mortal normal hasta que se reveló como hijo de Poseidón, y por tanto su hermano.

Tras el ataque de un toro de Colchis, los campistas descubren que el árbol de Thalia ha sido envenenado por Luke y que la barrera es vulnerable. Percy consulta al Oráculo, que le habla de la profecía de que un mestizo de los dioses mayores salvará o destruirá el Olimpo. Quirón le dice a Percy que él es el único mestizo humano vivo de los dioses mayores, por lo que la Profecía puede referirse a él. Annabeth y Grover se enteran del Vellocino de Oro, que tiene el poder de curar cualquier cosa, y proponen una búsqueda para recuperar el Vellocino y usarlo para curar el árbol de Thalia. El consejero Sr. D reclama la idea como suya y elige a Clarisse para dirigir la búsqueda.

Percy y Annabeth parten sin ser elegidos, acompañados por Tyson y Grover. Salen del campamento en el Carro de la Condenación (un taxi de Nueva York), donde los tres conductores (los Graeae) le cuentan a Percy más sobre su profecía y las coordenadas del Mar de los Monstruos (el Triángulo de las Bermudas). El grupo es expulsado en Washington D.C. por falta de dracmas, donde Grover es secuestrado. Los demás, con la ayuda de Hermes, le siguen la pista hasta el yate de Luke, el Andrómeda, al que llegan montados en Hippokamposes. A bordo, Luke revela su plan para que el titán Kronos destruya el Olimpo reviviéndolo con el vellocino y encierra al grupo en el bergantín, pero Percy utiliza su habilidad para manipular el agua para liberarlos.

Escapando del yate, son consumidos por Caribdis, donde descubren a Clarisse en el estómago del monstruo. Percy y Clarisse trabajan juntos para escapar de Caribdis haciendo un agujero en sus entrañas, y luego trazan un rumbo hacia Circelandia, frente a la costa de Florida. Allí descubren la guarida de Polifemo, donde se guarda el vellocino y Grover está cautivo del cíclope. Rescatan a Grover, recuperan el vellocino y atrapan a Polifemo en su cueva. Luke les tiende una emboscada y dispara a Percy con una ballesta por no entregar el vellocino, pero Tyson recibe el rayo y cae en un arroyo rugiente. Luke toma el vellocino y al grupo como rehenes

Mientras Luke comienza a revivir a Kronos de su sarcófago, Annabeth anima a Percy a tomar el liderazgo. El equipo escapa del cautiverio y Percy forcejea con Luke por el vellocino, como la profecía decía que harían. Luke consigue someter a Percy pero éste es salvado por Tyson, que ha sobrevivido a su herida al ser curado por el agua, ya que es hijo de Poseidón. Kronos se levanta del sarcófago y consume a Luke y a Grover antes de luchar contra Percy. Percy se da cuenta de que su espada es la "hoja maldita" de la profecía y corta a Kronos en pedazos y aprisiona al titán en el sarcófago una vez más, después de regurgitar a Grover y Luke, este último aterriza en la Guarida de Polifemo. Annabeth es apuñalada por la espalda por la Mantícora y muere en los brazos de Percy, pero es resucitada por el vellocino.

Percy le da el vellocino a Clarisse y regresan al Campamento Mestizo, donde ella lo coloca en el árbol de Thalia. Al día siguiente, Thalia es encontrada con vida, ya que el vellocino era lo suficientemente poderoso como para resucitarla y devolverle su forma humana. Percy se da cuenta de que Thalia, como hija de Zeus, es otra posible niña a la que se refiere la profecía sobre el Olimpo.